Obliczanie odporności ogniowej konstrukcji stalowych na podstawie euronomogramów

Analiza termiczna elementów stalowych bez izolacji ogniochronnej oraz z izolacją ogniochronną
prof. dr hab. inż. Antoni Biegus  |  IZOLACJE 4/2013  |  06.05.2014  |  1
Fot. 1. Widok dachu hali produkcyjno-magazynowej po pożarze / Calculating fire resistance of steel structures based on Euro-Nomograms
Fot. 1. Widok dachu hali produkcyjno-magazynowej po pożarze / Calculating fire resistance of steel structures based on Euro-Nomograms
Archiwum autora

Obiektywna ocena bezpieczeństwa budynku w sytuacji pożaru wymaga przeprowadzenia analizy termiczno­‑statyczno-wytrzymałościowej dostosowanej do panujących warunków. Jej podstawowym celem jest ustalenie czasu, w którym osłabiony oddziaływaniem wysokiej temperatury ustrój nośny budynku będzie w stanie przenosić obciążenie, nie ulegnie awarii ani destrukcji.

Tradycyjna metoda projektowania konstrukcji stalowych pod kątem bezpieczeństwa pożarowego polega na doborze środków ochrony przeciwpożarowej, w szczególności odpowiednich paramentów izolacji termicznej osłaniającej stalowy ustrój nośny obiektu przed działaniem ognia i chroniącej przed zbyt gwałtownym nagrzewaniem (Czytaj więcej na ten temat). Ten sposób zabezpieczenia ogniochronnego konstrukcji stalowych omówiono m.in. w artykułach opublikowanych na łamach „IZOLACJI” [1, 2]. Metoda ta ogranicza się do prostego wyboru środków ognioizolujących (z wykorzystaniem jedynie dostępnych materiałów). Zwykle stosuje się ją w odniesieniu do stosunkowo prostych budynków i w wielu przypadkach może być zbyt zachowawcza.

Aby zapewnić wymaganą ognioodporność konstrukcji stalowej metodą tradycyjną, należy zastosować kosztochłonną, bierną ochronę przeciwpożarową. W takim projektowaniu nie przeprowadza się żadnej dodatkowej analizy obliczeniowej oceniającej zachowanie się konstrukcji stalowej w trakcie pożaru. Nie uwzględnia się np. swobody odkształceń termicznych i stopnia „skrępowania” konstrukcji stalowej, powstałych wskutek działania sił wewnętrznych wywołanych wymuszonymi lub ograniczonymi wydłużeniami. Tymczasem te dodatkowe siły wewnętrzne mogą być przyczyną wyczerpania nośności konstrukcji, co może prowadzić do awarii lub katastrofy obiektu (fot. 1–4) [3].

Wiarygodną ocenę ognioodporności konstrukcji nośnej obiektu można uzyskać na podstawie odrębnej analizy termiczno-statyczno-wytrzymałościowej (według metody opartej na właściwościach). Ogólne zasady ustalania oddziaływań oraz projektowania w warunkach pożaru podano w normie PN-EN 1991-1-2:2006 [4].

Proste metody obliczeniowe konstrukcji stalowych w warunkach pożaru według normy PN-EN 1993-1-2:2007 [5] to metoda nośności i metoda temperatury krytycznej. W metodzie nośności stosuje się modele mechaniczne i przeprowadza weryfikację nośności konstrukcji. Obie metody projektowania (przedstawione w pracy „Pożarowe uszkodzenie i naprawa hali” [3]) służą do analizy bezpieczeństwa pożarowego typowych stalowych elementów konstrukcyjnych, np. belek i słupów. Natomiast zaawansowane modele obliczeniowe mogą być stosowane do wszystkich rodzajów konstrukcji i umożliwiają realistyczną analizę termiczno-statyczno-wytrzymałościową. Wyniki tej analizy zazwyczaj są uzyskiwane w postaci odkształceń konstrukcji podczas całego okresu pożaru. Zaawansowane modele obliczeniowe przeprowadza się metodą elementów skończonych (MES) za pomocą programów komputerowych.

Przykład deformacji konstrukcji stalowej wskutek pożaru

Na fot. 1, 2, 3–4 pokazano deformacje i uszkodzenia stalowej konstrukcji dachu i murów hali produkcyjno-magazynowej. Jedną z przyczyn uszkodzeń było nieuwzględnienie w projekcie odkształceń termicznych i „skrępowania” konstrukcji [3].
Stalowa konstrukcja nośna dachu hali składała się z ciągłych wieloprzęsłowych płatwi P1 (z rur prostokątnych 140×80) i P2 (z rur prostokątnych 80×40) oraz jednoprzęsłowych belek B1 i B2 (głównych dźwigarów dachowych). Belki B1 zaprojektowano z dwuteowników szerokostopowych HEB 450, a belki B2 – z dwuteowników normalnych 450. Elementy opierały się na żelbetowej, słupowo-ryglowej konstrukcji wsporczej wypełnionej bloczkami gazobetonowymi. Stalową konstrukcję nośną dachu zabezpieczono powłokami ogniochronnymi (farbami pęczniejącymi).
Płatwie P1 i P2 połączono z głównymi dźwigarami dachowymi B1 i B2 w sposób nieprzesuwny – dolne półki elementów P1 i P2 przyspawano do górnych pasów dwuteowych belek B1 i B2. Takie połączenie ograniczało przemieszczenia płatwi P1 i P2 wzdłuż ich osi podłużnych. Podczas pożaru w płatwiach P1 powstały bardzo duże siły ściskające, które doprowadziły do wygięcia oraz skręcenia się elementów (płatwie nie mogły się wydłużyć, ponieważ były zamocowanie w ok. 83 razy sztywniejszych belkach B1) [3] (fot. 1–2).
Belki B1 i B2 usztywniono bocznie przez nieprzesuwne połączenia z rurowymi płatwiami P1 i P2 oraz częściowo przez tarczę pokrycia dachowego. Nie uległy one deformacji w płaszczyźnie połaci dachu. Równocześnie jednoprzęsłowe belki B1 i B2 poddane wysokiej temperaturze wydłużyły się i spowodowały uszkodzenia muru ścian podłużnych hali w obrębie stref podporowych belek B1 i B2, co pokazano na fot 3–4.
W trakcie pożaru całkowitemu zniszczeniu uległy urządzenia produkcyjno-technologiczne, których wartość przekraczała kilkukrotnie wartość budowlaną obiektu. Przyczyną bardzo dużych strat materialnych było niewłaściwe uwzględnienie w projekcie hali ochrony wyposażenia i zawartości budynku w warunkach pożaru.


Analiza termiczna elementów stalowych bez izolacji ogniochronnej oraz z izolacją ogniochronną

Celem analizy termicznej jest określenie zależności między temperaturą stalowego elementu θa,t a czasem t osiągnięcia tej temperatury (zarówno w przypadku elementów nieosłoniętych izolacją ogniochronną, jak i osłoniętych). Dzięki wyznaczeniu temperatury w elemencie stalowym w rozważanym czasie t trwania pożaru można ocenić stopień wytężenia w pożarze, a także wyznaczyć odkształcenia termiczne.

Parametr Am/V [m–1] nazywa się wskaźnikiem ekspozycji przekroju (lub wskaźnikiem masywności przekroju). Jest on miarą szybkości nagrzewania się stalowego elementu nieosłoniętego narażonego na oddziaływanie wysokiej temperatury w warunkach pożaru. Ponadto w ocenie ilości ciepła przejmowanego przez taki element stalowy uwzględnia się współczynnik poprawkowy ksh związany z efektem zacienienia. Współczynnik ksh jest ilorazem umownego przekroju skrzynkowego opisanego na przekroju rzeczywistym [Am/V]b i wskaźnika ekspozycji Am/V. Sposób ustalania wskaźników przekrojów kształtowników stalowych Am/V [m–1] oraz [Am/V]sh podano w normie PN-EN 1993­‑1­‑2:2007 [5], a także w artykułach opublikowanych na łamach „IZOLACJI” [1, 2].

W normie PN-EN 1993-1-2:2007 [5] podano metodę obliczeniową oceny nagrzewania się stalowych elementów nieizolowanych ogniochronnie w przypadku równoważnego, równomiernego rozkładu temperatury w przekroju. Przyrost temperatury Δθa,t w przedziale czasu Δt w stalowym elemencie nieosłoniętym zapisany jest w postaci przyrostowej. Aby określić odpowiednik w wartościach całkowitych, należy przyjąć model pożaru i scałkowania po czasie (np. zastosować jawny algorytm całkowania po czasie). W tabeli 1 [6] podano wartości temperatury θa,t po czasie t w przekrojach stalowych elementów konstrukcyjnych bez izolacji ogniochronnej, przy różnych wartościach współczynnika ekspozycji Am*/V = ksh (Am/V), obliczonych w odniesieniu do standardowej krzywej ekspozycji pożarowej.

Aby wydłużyć czas dochodzenia w warunkach pożaru do temperatury krytycznej konstrukcji stalowej, czyli zwiększyć odporność ogniową, stosuje się m.in. bierną ochronę przeciwpożarową (osłony ognioizolacyjne). W przypadku elementu osłoniętego wskaźnik masywności przekroju przyjmuje się jako parametr Ap/V [m–1]. Zasady ustalania wskaźników przekrojów kształtowników stalowych Ap/V podano w normie PN-EN 1993-1-2:2007 [5], a także we wspomnianych artykułach opublikowanych w „IZOLACJACH” [1, 2].

W normie PN-EN 1993-1-2:2007 [5] podano również metodę obliczeniową oceny nagrzewania się stalowych elementów izolowanych materiałami biernej ochrony przeciwpożarowej. W takich przypadkach wzrost temperatury zależy od wskaźnika masywności przekroju stalowego elementu izolowanego Ap/V [m–1], grubości warstwy izolacji ogniochronnej dp [m] oraz jej przewodności cieplnej λp [W/(m·K)], które wyraża wskaźnik izolacyjności przekroju kp [W/(m³·K)] określony wzorem:

Właściwości fizyczne (m.in. przewodność cieplną λp) podstawowych materiałów stosowanych do wykonania izolacji ogniochronnych stalowych elementów konstrukcyjnych omówiono m.in. w pracach „Czynne i bierne zabezpieczenia ogniochronne konstrukcji stalowych” [1] oraz „Design of Steel Structures Subjected to Fire. Background and Design Guide to Eurocode 3” [6]. W tabeli 2 [6] podano wartości temperatury θa,t po czasie t stalowego elementu osłoniętego izolacją ogniochronną, przy założeniu standardowego modelu pożaru, w zależności od wskaźnika izolacyjności przekroju kp.

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 4/2013

Komentarze

(1)
vd | 27.09.2014, 19:40
Dachy
   1 / 1   

Wybrane dla Ciebie


Uszczelnianie trudnych powierzchni! Zobacz, jak to zrobić skutecznie »


Doszczelniając przegrodę od strony wewnętrznej budynku ograniczamy przenikanie pary wodnej do warstwy izolacyjnej, natomiast... ZOBACZ »



Tych fachowców najczęściej poszukują Polacy »

Szybki montaż stropu - jak to zrobić »

3/4 Polaków deklaruje, że potrzebuje fachowca do wykonania pracy w domu lub mieszkaniu. Najczęściej poszukiwanym jest...
czytaj dalej »

Oprócz znacznych oszczędności finansowych wynikających między innymi z braku dodatkowych ociepleń, możliwości prowadzenia w stropie instalacji, montażu stropu bez użycia dźwigów i... czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Szukasz wpustu balkonowego dobrej jakości?

Doskonałe rozwiązanie do izolacji dachów płaskich »

Wpust balkonowy prosty, skośny, ogrzewany, nieogrzewany... Dobierz odpowiedni czytaj dalej » Hydroizolacja dachów odbywa się przy pomocy wałków lub natryskowo - najlepszą w danym przypadku metodę dobiera się... czytaj dalej »

Ochroń wnętrze domu przed silnym słońcem » »


Markizy, żaluzje, pergole, rolety - które rozwiązanie sprawdzi się w Twoim przypadku? ZOBACZ »


Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Akustyczne płyty ścienne i sufitowe »

Energooszczędne płyty warstwowe z izolacją z wełny mineralnej o unikalnych właściwościach przeciwpożarowych i strukturalnych...  czytaj dalej »


Jak zabepieczyć ocieplenie przed rwącym wiatrem?

Jak uzyskać pełne uprawnienia architektoniczne?

Siły działające na wybrany system ociepleń przenoszone są zarówno przez zaprawę klejową, jak i łączniki fasadowe. Dzięki...
czytaj dalej »

Zobacz, jak otrzymać uprawnienia do samodzielnego wykonywania zawodu architekta w Polsce i UE czytaj dalej »

Jak trwale zabezpieczyć budynki przed wodą?

Skutecznie zabezpiecz budowane konstrukcje przed pożarem »

Rozwijamy kreatywne rozwiązania dla osiągniecia pożądanego sukcesu nawet w przypadku specjalnych projektów czytaj dalej » Masywne elementy budowlane w starych obiektach często nie spełniają wymagań przeciwpożarowych określonych w obowiązujących przepisach. czytaj dalej »

Izolacje piwnic i garaży. Jakie rozwiązanie wybrać?


Bierzemy pod uwagę wszystkie czynniki takie jak np. wymagania techniczne obiektu, dzięki czemu jesteśmy w stanie dopasować idealną oszczędność energii do wskazanego pomieszczenia. ZOBACZ »



Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Triflex Polska Triflex Polska
Triflex zyskał na rynku europejskim pozycję lidera w zakresie opracowywania, kompleksowego doradztwa oraz zastosowania uszczelnień i powłok...
7/8/2019

Aktualny numer:

Izolacje 7/8/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Wtórne hydroizolacje poziome
  • - Mocowanie elewacji wentylowanych
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.